Coletores planos

Quando a radiação solar passa por uma cobertura transparente e embate com a superfície do absorvente enegrecido de alta absortividade, grande parte dessa energia é absorvida pela placa e depois transferido para o meio de transporte nos tubos de fluido, a serem transportados para armazenamento ou uso. A parte inferior da placa de absorção e o lado do revestimento são bem isolados para reduzir as perdas de condução.

A cobertura transparente é usada para reduzir as perdas por convecção da placa absor- vente através da restrição da camada de ar estagnada entre a placa de absorção e o vidro. Isso também reduz as perdas de radiação do coletor, como o vidro é transparente para as curtas radiações de ondas recebida pelo sol, mas é quase opaca à radiação térmica de ondas longas emitido pela placa absorvente [16].

Figura 2.3 - Exemplo de um coletor solar plano [18].

Os coletores planos geralmente são permanentemente fixos numa posição e não acompa- nham a trajetória do sol, e como já referido, quanto às inclinações e variações, devem ser orientados diretamente em direção ao equador, voltado para o sul no hemisfério norte e para o norte no hemisfério sul, cujo o ângulo ideal de inclinação do coletor é igual à latitude da localização, com variações angulares de 10-15 °, mais ou menos dependendo da aplicação. É de longe o tipo de coletor mais utilizado, e é geralmente utilizado para aplicações de baixa temperatura, sendo até 100 °C, embora alguns novos tipos de coleto- res utilizam isolamento a vácuo e/ou TI (isolamento transparente) podendo alcançar va- lores ligeiramente mais altos. Devido à introdução de revestimentos altamente seletivos, os padrões atuais dos coletores planos podem atingir temperaturas de estagnação de mais de 200 °C e com esses coletores boas eficiências podem ser obtidas até temperaturas de cerca de 100 °C. Foram construídos em uma ampla variedade de modelos e de diversos tipos de materiais, também usados para o aquecimento de fluídos assim como a água, água e aditivos anticongelante, ou ar.

Entretanto, tem uma vida longa e eficaz, apesar dos efeitos adversos da radiação ultravi- oleta, corrosão e entupimento por causa da acidez, alcalinidade ou rigidez do fluido de transferência de calor, congelamento da água ou acumulação de poeira ou humidade no vidro, e danos causados no vidro devido a expansão térmica, granizo, vandalismo ou ou- tras causas, e estas causas podem ser minimizadas com o uso de vidro temperado [16].

Para os coletores planos existem duas versões: o coletor metálico (plano com cobertura) para as instalações de AQS, e de polipropileno ou similar (plano sem cobertura) para o aquecimento de piscinas. Os coletores planos com cobertura é o mais utilizado, visto que foi o primeiro a ser introduzido no mercado, apresentando um baixo preço, e é baseado no princípio do corpo negro que, como já se sabe, absorve a energia solar incidente que no seu interior circula o fluido a ser aquecido, transferindo-se diretamente ou indireta- mente para o acumulador [10]. É composto por quatro elementos dispostos numa caixa de alumínio ou aço, sendo tais acessórios apresentados seguidamente [19]:

• Cobertura: superfície frontal de vidro, que provoca o efeito de estufa e reduz as perdas de calor. Os materiais mais utlizados são geralmente o vidro e ocasional- mente o plástico, sendo que é muitas vezes utilizado um vidro com baixo teor em ferro com uma espessura de 3-4 mm. Possui características que permitam uma transmissão elevada de luz, por conseguinte uma baixa reflexão durante a vida útil do coletor, bem como resistir à pressão do vento, impacto de objetos e choques térmicos.

• Absorsor: a peça essencial de um coletor plano. É constituída por uma chapa me- tálica, que apresenta boas características de absorção de calor sendo fabricadas em alumínio ou cobre com revestimentos a preto-baço ou com revestimentos se- letivo e tubos de transferência de calor ligados ao coletor. É parcialmente refletida e parcialmente absorvida, quando a radiação solar atinge o absorsor, sendo que, da absorção da radiação solar gera calor, que é transferido da chapa metálica para os tubos ou canais de escoamento, que através desses tubos de escoamento o flu- ído de transferência térmica transporta o calor para os tanques de armazenamento.

• Isolamento: o coletor tem uma camada de isolamento entre a caixa e a placa ab- sorsora, para reduzir as perdas de calor para o ambiente, através de condução tér- mica. Tendo em consideração que o coletor pode atingir temperaturas máximas, os isolamentos de fibra mineral são os mais indicados para suportar estas tempe- raturas, sendo que os materiais mais utilizados são: o poliuretano, a lã de rocha e a lã de vidro.

• Ligações hidráulicas: o painel incorpora ligadores roscados destinados à entrada do fluido frio e à saída do fluido quente, e a estas ligações podem-se acoplar vál- vulas de corte para isolar o circuito hidráulico, um purgador para extrair o ar das tubagens e sondas de temperatura destinadas ao controlo diferencial, sendo que grande parte dos painéis comerciais incorporam ligadores nas laterais da caixa para permitirem a ligação em série ou em paralelo dos painéis [10].

Figura 2.4 - Áreas em um coletor plano [12].

Entretanto, para o aquecimento das piscinas e outras aplicações para as quais é suficiente colocar a temperatura da água a 24-26 °C, utilizam-se os coletores planos sem cobertura ou flexíveis, sendo painéis de polipropileno, borracha ou similar, que apresentam uma solução económica, de baixo peso e muita flexibilidade na montagem. O material com que se fabricam os coletores solares flexíveis é, fundamentalmente, um polímero termo- plástico muito leve com uma configuração externa que lhes permite uma grande flexibi- lidade de ângulos de orientação, podendo ser instalados sobre os telhados sem ter em conta as preocupações necessárias para os coletores planos com cobertura (dado o seu elevado peso), visto que se desmontam facilmente no final da época de utilização. O seu princípio de funcionamento é o mesmo que nos coletores planos com cobertura, existindo no seu interior uma rede de canais por onde circula o líquido que aquece por ação do sol

e da capacidade térmica do material empregue, dispondo também de ligações para entrada de água de retorno e saída da água quente [10].

Em relação a percentagem no mercado, o coletor solar plano representa aproximadamente 85% a 90%, no aquecimento solar de água potável, apresentando vantagens como: estru- tura robusta, simples, tecnicamente aperfeiçoado, boa relação entre o preço/desempenho, mais oticamente atraente devido a sua área de superfície plana.

De seguida é apresentada na Tabela 2.4, as típicas características de um sistema de coletor plano segundo Kaligirou (2004).

Tabela 2.4 - Característica de um típico sistema de coletor plano para o aquecimento de água

[16].

Parâmetros Coletor plano simples Coletor plano avançado

Acoplamento da placa absor-

vente com a tubagem Embutido Soldado por ultrassom

Revestimento absorvente Tinta preta Revestimento seletivo de

crômio

Envidraçamento Vidro com baixo teor de

ferro

Vidro com baixo teor de ferro

Ângulo de inclinação do cole-

tor Latitude +5 a 10° Latitude +5 a 10°